石英晶体震荡器周围电路的噪声发生源

石英晶体震荡器是信号源的核心所在。

在构建各种电子设备及通讯系统设备等过程中。石英晶体震荡器周围的电路结构及设计对系统能否最大程度发挥功能起着重要的作用。特别是石英晶体震荡器周围电路，由于将在搭载数字电路的基板上以最高速度开始工作，较易产生噪音，所以设计电路之际必须对此十分注意。作为降低噪音电路设计的指南，本文将就使用石英晶体震荡器的周围电路设计中的噪音对策进行讲解。

一  石英晶体震荡器周围电路的噪声发生源

图1表示一般情况下石英晶体震荡器及其周围电路所产生的噪音，噪音发生源分为三大类：

来自电源线的噪音

来自输出线路的噪音

来自石英晶体震荡器的噪音

通常所说的噪音指上述三种噪音的总称。以下集中说明这三种噪音及其对策。

A 来自电源线的噪声

在石英晶体震荡器的工作过程中，电源线中将产生脉动。电源线起到天线的作用将脉动作为噪声释放。防止电源噪声时重要的是如何阻止或吸收石英晶体震荡器所产生的脉动流入电源线。为此而采取的对策可防止其它元器件所产生的外来噪音进入石英晶体震荡器，因此亦可实现石英晶体震荡器的工作稳定。

B 来自输出线路的噪音

来自输出线路的噪音是指输出线路起到天线的作用将石英晶体震荡器输出的信号作为噪声释放。这种噪声的对策是使输出波形既符合要求又难以释放噪声的输出线路。

C 来自石英晶体震荡器的噪音

来自石英晶体震荡器的噪音是指石英晶体震荡器内部的集成电路与布线所释放的噪音。这种噪音的对策是使石英晶体震荡器的电源供给保持稳定，且在保证要求的输出波形的基础上使石英晶体震荡器稳定工作。这些是电源线及输出线路共同的对策。

以上所示的各发生源的噪声释放量与流过的电流量和电流环路的大小成正比。电流量越大，或者电流环路越大，噪声的释放量越多。

石英晶体震荡器及其周围电路在流过的电流量与电流环路大小方面一般存在着下面关系：

电流量：电源线=石英晶体震荡器>输出线路

电流环路的大小：输出线路>电源线>石英晶体震荡器

从上述关系中可以得出，在石英晶体震荡器及周围电路所产生的噪音中，输出线路所产生的最多，其次是电源线，而石英晶体震荡器本身所释放的噪音量与这两种噪音相比极小。

二  噪声对策

降低噪声有以下三种基本方法：

设置稳定的电源线与接地线

对电源噪声进行过滤

在基板上配置稳定的输出线路

各方法具体说明如下：

A 稳定的电源线与接地线

稳定的电源线与接地线是指大范围频带（特别是高频）中的阻抗极小，且任何点上电平相同的导体。接地线是电路的标准电平，所以最需要保持稳定，其电路设计应做到表面积大且无宽度变窄之处。采用多层板时，电源线与接地线应当分别采用独立的布线层，有连接部分时应增大接触面积，以便在高频带中亦保持较小的阻抗。

B 电源线滤波

在电源线及接地线中设置滤波器，以防石英晶体震荡器的噪声流入电源线或接地线，或者防止其它电路所产生的噪声通过电源线流入石英晶体震荡器。电源线和接地线一般采用旁路电容器作为滤波器。

旁路电容常用于去除噪音。它可以降低交流电源的阻抗使电路稳定工作，还可以吸收电源线中的噪声。大多数噪声问题可通过选择安装适宜常数的旁路电容器来解决。旁路电容器的适宜常数设定与安装方法如下：

(1)旁路电容器容量

通常使用的旁路电容器容量大致在0.1至10μF之间。电容器容量尽可能设定为较小的数值。

(2)旁路电容的安装

旁路电容器应尽可能安装在靠近石英晶体振荡器电源的地方。布线图案的距离越长寄生电感越大，高频侧的阻抗随之变大。布线应先连接旁路电容器后连接到电源线。这样噪声必将先通过旁路电容器，从而提高噪声去除效果。

而且，旁路电容器的安装应避免如图2a所示的布线图案。高频噪声通常直线前进，如果采用图2a所示的布线图案，噪声将不通过旁路电容器。为此请使用类似图2b的布线图案。

C 配置稳定的输出线路

稳定的输出线路是指，能够把石英晶体谐振器输出的波形在不失真的情况下准确传输到输入对象的元器件，并能够尽可能减少噪声释放的线路。

稳定的输出线路的设置基础如图3a所示，应确保输入侧所需的tr、tf、VOH、VOL等波形特性：且如图3b的输出波形所示，应当去除不必要的信号，例如过冲、下冲、振影、或反射波等。而且，还应降低输出线路的作为天线释放噪声的效率，使噪声难于释放。

避免输出波形失真的对策有以下几种方法：

a.  连接串联电阻

石英晶体振荡器连接输入对象的元器件时，通常将产生过冲、下冲、振影等波形变形。这些变形的波形中含有振荡频率的约3~7倍的射频成分，将引发噪声，所以必须去除。为了去除射频成份，应在石英晶体振荡器的输出端与输出线路之间连接串联电阻，如图4所示。

所插入的电阻值（Rs）等于输出线路的阻抗（Z0）与石英晶体振荡器的输出阻抗（R0）之差。串联电阻最佳值亦可通过实验得出。试验方法是边用示波器等观察输出波形，边将串联电阻值从小逐渐调大，得出过冲、下冲或振影等消失时的电阻值。

b.  连接终端电阻

终端电阻是否连接取决于使用的数字或模拟信号种类，以及输出波形的时钟线的种类。输出波形的失真一般出现在输出线路的阻抗与输入对象元器件的输入阻抗不匹配的情况下。

非匹配状态的行进波在输入端被反射后，反射波与行进波相互重叠使得波形出现紊乱，从紊乱部分产生高频的噪声。将石英晶体振荡器的输出分支传送到多只元器件使用时，上述波形失真或引起触发误差。因此阻抗匹配十分重要。

为了防止从输入端的反射，应当端接终端电阻使得输入端的阻抗等于输出路线的阻抗。并联终端匹配如图5所示，可分为单电阻和双电阻

c.  连接滤波器

通常可以适用串联电阻或终端电阻对输出波形进行整形。如由此仍然无法完全解决问题，则使用滤波器。使用滤波器可去除高频率的噪声，但tr、tf将变大（脉冲前后沿变圆）。因此必须选择能够满足tr、tf特性的滤波器。尚需注意的是，如果在滤波其中使用了电容较大的电容器，则将使电流量变大，反而促使释放的噪声变大。

d.  输出线路的阻抗匹配

为了减少输出线路中的波形反射，需要尽量将输出线路的阻抗保持一定。如图6所示，可以将输出线路电路图案设计成45度拐角或若有可能设计成圆形拐角，避免使用直角，以此使输出线路的阻抗保持一定。还应避免使用通孔和T型接头。

以上说明了有关噪声的对策，最后介绍减少噪声释放的两项重要方法。

a.  缩短输出线路

输出线路是电路中最容易释放噪声的部分。为此，在设计电路图案之际，应当最优先设计输出线路部分，采用长度最短、无阻抗变动的最佳输出线路图案。缩短后的输出线路布线的谐振频率将变得更高。输出的信号随频率增大而衰减，从而导致释放的噪声减少。

B.  缩小电流环路

如之前所述，来自输出线路的噪声释放量与电流环路的大小成正比。因此，必须尽量缩短石英晶体振荡器和输入元器件的输出线路与接地线长度，故而亦可采用在输出线路的背面印刷接地线的方法。